ПРИМЕР РАСЧЕТА КОЖУХОТРУБЧАТОГО КОНДЕНСАТОРА
Рассчитать и спроектировать конденсатор производительностью G1, кг/с по горячему теплоносителю. Холодный теплоноситель – вода, с начальной температурой tн20С. По условиям монтажа теплообменника его высота не должна превышать Н м. Горячий теплоноситель – четыреххлористый углерод.
G1=1,5 кг/с; tн2 =200С; Н=4м. Недостающие параметры принять самостоятельно.
Холодный теплоноситель – вода проходит по трубам теплообменника, горячий теплоноситель - четыреххлористый углерод – по межтрубному пространству. Движение теплоносителей – противоток.
Температура конденсации четыреххлористого углерода tконд=76,8 0С [6]
Принимаем недостающие параметры: конечная температура холодного теплоносителя tк2=310С, конечная температура горячего теплоносителя tк1=450С.
Ι. РАСЧЕТ ОРИЕНТИРОВОЧНОЙ ПЛОЩАДИ ТЕПЛООБМЕННИКА
Рисуем условный график распределения температур вдоль поверхности теплопередачи при противотоке по зонам (рис.3).
1. Определяем среднюю разность температур холодного теплоносителя
tср=(31+20)/2 =25,50С
По справочной литературе [4,6] выбираем физико-химические константы для воды при tср=25,50С и для четыреххлористого углерода при температуре конденсации tконд=76,8 0С. Таблица 1
Таблица 1
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для воды при tср=25,50С | Численные значения для четыреххлористого углерода при tконд=76,8 0С |
Плотность, ρ | кг/м3 | 996,825 | 1478,36 | |
Теплоемкость, с | Дж/кг·К | 4178,05 | 879,9 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,60945 | 0,0973936 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | ? | 0,0004909 | |
Теплота парообразования, r | Дж/кг | 2440,82 | ||
Критерий Прандтля, Рr | - | 6,69 | 4,5 |
2. Определение тепловых расходов по зонам
2.1.Определяем количество теплоты в зоне конденсации
Qконд= G1·r1 =1,5·195054=292581 (Вт);
2.2. Определяем количество теплоты в зоне охлаждения конденсата
Qохл= G1·с1(t1н- t1к)=1,5·879,9(76,8-45)=41971,23 (Вт)
2.3 Общая тепловая нагрузка
Qобщ= Qконд+ Qохл=292581+41971,23=334552,23 (Вт)
3. Определяем расход воды необходимый для конденсации требуемого количества четыреххлористого углерода.
G2=Q/[c2(t2к- t2н)] = 334552,23/[4178,05(31-20)]=7,279 (кг/с)
Определяем температуру воды при переходе её из зоны охлаждения конденсата в зону конденсации их формулы:
Qохл= G2·с2(tх- t2н), отсюда
tх=[ Qохл/(G2·с2)]+ t2н=[41971,23/(7,279·4178,05)]+20=21,380С.
4. Определение температурных напоров по зонам
4.1. Определяем температурный напор в зоне конденсации
76 → 76,8
31 ← 21,38
45,8 55,42
Отношение 55,42/45,8 = 1,2 < 2 - следовательно, средний температурный напор в зоне конденсации определится по среднеарифметической зависимости:
Δtконд = (55,42+45,8)/2 = 50,610С.
4.2. Определяем температурный напор в зоне охлаждения конденсата
76 → 45
21,38 ← 20
55,42 25
Отношение 55,42/25 = 2,21>2 - следовательно, средний температурный напор в зоне конденсации определится по среднелогарифмической зависимости:
Δtохл = (55,42 -25)/ln(55,42/25) = 38,40С.
5.Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена.
- в зоне конденсации ;
где Кор- коэффициент теплопередачи, принимаем согласно рекомендуемых значений [7], (Приложение 4) Кор=500 Вт/м2К.
(м2).
- в зоне охлаждения паров конденсата ;
(м2).
Общая площадь теплообмена составит: Fобщ = Fконд + Fохл;
Fобщ = 11,562 + 2,186 = 13,748 (м2).
Согласно полученной площади выбираем одноходовой аппарат с параметрами [7]:
Площадь F = 14м2;
длина труб L 1500 мм;
число труб n = 121;
диаметр корпуса аппарата D = 400 мм;
диаметр труб dтруб = 25×2 мм.
Ι Ι. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ЗОНЫ КОНДЕНСАЦИИ
1. Определяем средний температурный напор для воды в зоне конденсации.
Δt ср = (31 + 21,38)/2 = 26,190С.
По справочной литературе [4] выбираем физико-химические константы для воды при tср=26,190С. Таблица 2:
Таблица 2
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для воды при tср=26,190С |
Плотность, ρ | кг/м3 | 996,653 | |
Теплоемкость, с | Дж/кг·К | 4178,15 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,610761 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,87863·10-3 | |
Критерий Прандтля, Рr | - | 6,6486 |
2. Определяем режим движения воды в трубках теплообменника
Re=G2/(0,785·n·dвн·µ2) = 7,279/(0,785·121·21·10-3·0,87863·10-3) = 4153,28
Так как значения Re< 10000, то движение теплоносителя в трубках происходит в переходном режиме, что не обеспечивает требуемых значений коэффициента теплопередачи.
Выбираем четырехходовой аппарат с параметрами [7]:
Площадь F = 17м2;
длина труб L = 2500 мм;
число труб n = 90;
диаметр корпуса аппарата D = 400 мм;
диаметр труб dтруб = 25×2 мм.
Число труб на один ход – 90/4 ≈22
Определяем режим движения воды в трубках теплообменника
Re=G2/(0,785·n·dвн·µ2) = 7,279/(0,785·22·21·10-3·0,87863·10-3) = 22335,4
В данном случае в трубках теплообменника присутствует развитое турбулентное движение теплоносителя.
3. Находим коэффициент теплоотдачи (α) для воды в зоне конденсации по формуле:
(Вт/м2·К)
4. Находим коэффициент теплоотдачи (α) для четыреххлористого углерода в зоне конденсации по формуле:
(Вт/м2·К)
5. Определяем суммарное термическое сопротивление стальной стенки трубы и загрязнений со стороны воды и со стороны четыреххлористого углерода:
;
где:
- тепловая проводимость загрязнений со стороны четыреххлористого углерода - rзагр1 = 11630 (Вт/м2·К), [7] (Приложение 5);
- тепловая проводимость со стороны воды - rзагр2 = 2000 (Вт/м2·К);
- термическое сопротивление стальной стенки трубы
δ/λст = 0,002/46,5 = 0,43·10-3 (м2·К/Вт).
(м2·К/Вт).
6. Определяем коэффициент теплоотдачи для зоны конденсации. Так как dвн/dнар=0,8>0,5 , то расчет ведем как для плоской стенки по уравнению (4)
(Вт/м2·К);
7. Определяем площадь поверхности зоны конденсации
(м2).
Ι Ι Ι. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ЗОНЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОНДЕНСАТА
1. Определяем средний температурный напор для воды в зоне охлаждения конденсата.
Δt ср = (21,38+20)/2 = 20,690С.
По справочной литературе [4] выбираем физико-химические константы для воды при tср=20,690С, Таблица 3:
Таблица 3
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для воды при tср=26,190С |
Плотность, ρ | кг/м3 | 998,028 | |
Теплоемкость, с | Дж/кг·К | ||
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,600311 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,990·10-3 | |
Критерий Прандтля, Рr | - | 6,9786 |
2. Определяем режим движения воды в трубках теплообменника
Re=G2/(0,785·n·dвн·µ2) = 7,279/(0,785·90·21·10-3·0,990·10-3) = 19822,8
Так как значения Re > 10000, то в трубках теплообменника присутствует развитое турбулентное движение теплоносителя.
3. Находим коэффициент теплоотдачи (α) для воды в зоне конденсации
(Вт/м2·К)
4. Находим коэффициент теплоотдачи (α) для четыреххлористого углерода в зоне охлаждения конденсата.
Средний температурный напор для четыреххлористого углерода в зоне охлаждения конденсата.
Δt ср = (76,8+45)/2 = 60,750С.
По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при tср=60,750С, Таблица 4:
Таблица 4
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для четыреххлористого углерода |
Плотность, ρ | кг/м3 | 1515,275 | |
Теплоемкость, с | Дж/кг·К | 900,85 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,10298 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,585·10-3 | |
Критерий Прандтля, Рr | - | 5,11 |
Указанные значения физико-химических констант найдены методом интерполяции*
__________________________________________________________________
* Пример нахождения значения динамической вязкости методом интерполяции:
- при t=600С µ=0,59·10-3 Па·с
- при t=800С µ=0,47·10-3 Па·с,
температура пленки конденсата составляет 60,750С, тогда
_______________________________________________________________________________
Режим движения стекающей пленки конденсата определим по формуле:
Полученное значение критерия Рейнольдса больше 2000 следовательно, пленка конденсата стекает в турбулентном режиме и для расчета коэффициента теплоотдачи воспользуемся критериальным уравнением:
Nu = 0,01(Ga,Pr,Re)1/3
где - Ga = (Н3·ρ2·g)/µ2 – Критерий Галилея;
Ga = (0,13·1515,2752·9,81)/( 0,585·10-3)2 = 0,658·1011,
здесь Н – высота поверхности зоны охлаждения конденсата – принимаем равной 0,1 м.
Nu = 0,01(0,658·1011·5,11·6913,24)1/3 =1324,78
Коэффициент теплоотдачи α1 = (Nu·λ)/Н;
α1 = (1324,78·0,10298)/0,1 = 1364, 25 (Вт/м2·К);
5. Определяем коэффициент теплоотдачи для зоны охлаждения конденсата, расчет ведем как для плоской стенки по уравнению(4)
(Вт/м2·К);
6. 7. Определяем площадь поверхности зоны охлаждения конденсата:
(м2).
ΙV. УТОЧНЕНЫЙ РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЗОНЕ КОНДЕНСАЦИИ
Уточненный расчет коэффициента теплопередачи в зоне конденсации проводится с учетом температуры поверхности стенки. Для этого уточняем коэффициент теплоотдачи для воды в указанной зоне.
1. Зададим температуру стенки, с последующей ее проверкой:
tcт1=560С;
тогда t0 пленки конденсата четыреххлористого углерода
tпл=(tкон + tст1)/2 = (76,8 + 56)/2 = 66,4 0С.
По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при tср=66,40С. Таблица 5:
Таблица 5
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для четыреххлористого углерода |
Плотность, ρ | кг/м3 | 1502,28 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,101021 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,552·10-3 |
1.1 Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl4 находим по уравнению:
;
где Н – высота поверхности зоны конденсации, определится по уравнению:
Н =Fконд/(π·dcр·n) = 13,33/(3,14·0,023·90) = 2,05 м;
Δt – температурный напор в зоне конденсации: Δt=76,8-56=20,8 0С.
(Вт/м2·К);
1.2. Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl4:
q1=α1(tкон - tст1) = 758,251(76,8-56) = 15771,62 (Вт/м2);
4. Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды
tст= tст1 – q1·Σrст = 56-(15771,62·6,3·10-4) = 46,06 0С.
1.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя
(Pr/Prcт)0,25 = (6,2/4,0)0,25 = 1,1157, где
- Pr = 6,2 при tводы=26,190С;
- Prcт = 4,0 при tст1 = 46,06 0С.
α2= 4301,913·1,1157 = 4800,1147 (Вт/м2·К);
Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:
q2 = α2(tст-tв) = 4800,1147(46,06 -26,19) = 95378,28 (Вт/м2).
2. Зададим следующее значение температуры стенки
tcт2=650С;
тогда t0 пленки конденсата четыреххлористого углерода
tпл=(tкон + tст2)/2 = (76,8 + 65)/2 = 70,9 0С.
По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при tср=70,9 0С, Таблица 6:
Таблица 6
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для четыреххлористого углерода |
Плотность, ρ | кг/м3 | 1491,93 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,0994468 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,525·10-3 |
2.1. По вышеприведенным зависимостям находим коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl4 для tср=70,9 0С:
(Вт/м2·К);
здесь Δt=76,8-65 = 11,80С
2.2. Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl4:
=α1(tкон - tст2) = 871,219(76,8-65) = 10280,334 (Вт/м2);
4. Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды
tст= tст2 – q1·Σrст = 65-(10280,334 ·6,3·10-4) = 58,52 0С.
2.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя
(Pr/Prcт)0,25 = (6,2/3,2)0,25 = 1,1798,
где
- Pr = 6,2 при tводы=26,190С;
- Prcт = 3,2 при tст1 = 58,52 0С.
α2= 4301,913·1,1798= 5075,5032 (Вт/м2·К);
Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:
= α2(tст2-tв) = 5075,5032 (58,52 -26,19) = 164091,01 (Вт/м2).
3. Для уточнения принятой температуры стенки построим зависимости:
q1=f(tст1); q2=f(tст1); =f(tcт2); =f(tcт2), точка пересечения этих зависимостей (рис. 4) будет соответствовать температуре поверхности стенки в зоне конденсации. Данные сведем в таблицу 7.
Таблица 7
Принятые значения температур стенки tст0С | q1, (Вт/м2) | q2, (Вт/м2) |
15771,62 | 95378,28 | |
10280,33 | 164091,01 |
На пересечении графиков получим точку, опустив перпендикуляр на ось температур, получим искомую температуру 520С.
Тогда t0 пленки конденсата четыреххлористого углерода
tпл=(tкон + tст1)/2 = (76,8 + 52)/2 = 64,4 0С.
По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при tср=64,40С, Таблица 8:
Таблица 8
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для четыреххлористого углерода |
Плотность, ρ | кг/м3 | 1512,63 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,10258 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,578·10-3 |
Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl4 для tср=64,4 0С:
(Вт/м2·К);
где Δt = 76,8-52=24,80С
Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl4:
=α1(tкон - tст2) = 695,326(76,8-52) = 17244,08 (Вт/м2);
Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды
tст= tст2 – q1·Σrст = 52-(17244,08 ·6,3·10-4) = 41,13 0С.
2.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя
(Pr/Prcт)0,25 = (6,2/5,2)0,25 = 1,0449,
где
- Pr = 6,2 при tводы=26,190С;
- Prcт = 5,2 при tст1 = 41,13 0С.
α2= 4301,913·1,0449= 4495,36 (Вт/м2·К);
Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:
= α2(tст2-tв) = 4495,36 (41,13 -26,19) = 67160,68 (Вт/м2).
Так как значения q1 и q2 сильно разнятся, имеет смысл принять другую температуру стенки с последующей проверкой.
Зададим следующее значение температуры стенки
tcт2=450С;
тогда t0 пленки конденсата четыреххлористого углерода
tпл=(tкон + tст2)/2 = (76,8 + 45)/2 = 60,9 0С.≈ 60,00С
По справочной литературе [6] выбираем физико-химические константы для четыреххлористого углерода при tср=60,00С, Таблица 9:
Таблица 9
№ | Физико- химические константы | Размерность | Численные значения для четыреххлористого углерода |
Плотность, ρ | кг/м3 | 1514,7 | |
Теплопроводность,λ | Вт/м·К | 0,10289 | |
Динамическая вязкость, µ | Па·с | 0,584·10-3 |
Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара ССl4 для tср=64,4 0С:
(Вт/м2·К);
где Δt = 76,8-45=31,80С
Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации ССl4:
=α1(tкон - tст2) = 684,599(76,8-45) = 21770,284 (Вт/м2);
Определяем температуру поверхности стенки со стороны воды
tст= tст2 – q1·Σrст = 45-(21770,284 ·6,3·10-4) = 31,2 0С.
2.3. Коэффициент теплоотдачи для воды определяем с учетом множителя
(Pr/Prcт)0,25 = (6,2/6,16)0,25 = 1,00126,
где
- Pr = 6,2 при tводы=26,190С;
- Prcт = 6,16 при tст1 = 31,2 0С.
α2= 4301,913·1,00126= 4307,412 (Вт/м2·К);
Определим удельную тепловую нагрузку в зоне конденсации для воды:
= α2(tст2-tв) = 4307,412 (31,2 -26,19) = 21580,135 (Вт/м2).
Так как значения q1 и q2 отличаются не более чем на 0,8%, то уточненный расчет коэффициента теплопередачи ведется со значениями принятой температуры стенки.
(Вт/м2·К).
Требуемая поверхность конденсации
м2
Общая площадь теплообмена составит: Fобщ = Fконд + Fохл;
Fобщ = 13,33 + 1,148 = 13,33 (м2).
Следовательно, расчетным параметрам удовлетворяет выбранный ранее теплообменник со следующими характеристиками:
Аппарат четырехходовой;
Площадь F = 17м2;
длина труб L = 2500 мм;
число труб n = 90;
диаметр корпуса аппарата D = 400 мм;
диаметр труб dтруб = 25×2 мм.